Gain Control of Peripheral Input by Core Brain Thermosensors Drives Drosophila Thermoregulation

प्रत्येक जीवित प्राणी एक निरंतर, अदृश्य चुनौती का सामना करता है: दुनिया का तापमान उस तापमान के समान कम ही होता है जो जीवित रहने के लिए उसे चाहिए। उन जानवरों के लिए जो अपनी आंतरिक गर्मी उत्पन्न नहीं कर सकते, जैसे कि कीट, इसका समाधान व्यवहारिक है। उन्हें हिलना-डुलना पड़ता है, जब वे बहुत ठंडे हों तो गर्म स्थानों की तलाश करना और जब वे बहुत गर्म हों तो ठंडे स्थानों की तलाश करना। यह प्रक्रिया, जिसे थर्मोटैक्सिस (thermotaxis) कहा जाता है, कोई सरल रिफ्लेक्स नहीं है; यह एक जटिल गणना है। जीव को यह महसूस करना चाहिए कि तापमान अभी कैसे बदल रहा है, लेकिन उसे यह भी जानना चाहिए कि उसका आदर्श तापमान क्या है। यदि हवा गर्म हो रही है, तो क्या यह एक अच्छी बात है या बुरी? उत्तर पूरी तरह से इस पर निर्भर करता है कि जीव वर्तमान में अपने व्यक्तिगत आराम क्षेत्र (comfort zone) के संबंध में कहाँ स्थित है। यदि वह बहुत ठंडा है, तो गर्माहट स्वागत योग्य है। यदि वह पहले से ही बहुत गर्म है, तो वही गर्माहट का संकेत दूर हटने की चेतावनी बन जाता है। वैज्ञानिकों को लंबे समय से उलझाए रखने वाला रहस्य यह है कि मस्तिष्क इस गणना को कैसे करता है। एक छोटा सा तंत्रिका तंत्र "यह गर्म हो रहा है" जैसा संकेत लेकर यह निर्णय कैसे लेता है कि आगे बढ़ते रहना है या मुड़ जाना है, और वह भी एक विशिष्ट तापमान संख्या के आधार पर जिसे जीव ने पहले कभी देखा ही नहीं है?

हार्वर्ड यूनिवर्सिटी, ब्रैंडिस यूनिवर्सिटी और कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने वाले सर्किट का मानचित्र तैयार किया है। फ्रूट फ्लाई (फल मक्खी) के लार्वा में इस समस्या का अध्ययन करके, उन्होंने मस्तिष्क कोशिकाओं के एक विशिष्ट समूह की खोज की जो निर्णय लेने वाले के रूप में कार्य करते हैं। ये कोशिकाएं केवल तापमान को महसूस नहीं करती हैं; वे शरीर के सेंसरों से प्राप्त सूचना को जीव के आंतरिक सेटपॉइंट (setpoint) के विरुद्ध तौलती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये मस्तिष्क कोशिकाएं एक विशिष्ट प्रोटीन का उपयोग करती हैं ताकि केवल तभी शरीर से संकेत को बढ़ा (amplify) सकें जब तापमान एक निश्चित सीमा से ऊपर बढ़ जाता है। यह तंत्र लार्वा को यह जानने में सक्षम बनाता है कि उसे गर्मी की तलाश कब बंद करनी है और उससे बचना कब शुरू करना है, जिससे प्रभावी रूप से उसका पसंदीदा तापमान निर्धारित होता है।

कहानी लार्वा के शरीर पर मौजूद सेंसरों के साथ शुरू होती है। फ्रूट फ्लाई लार्वा के शरीर पर विशेष तंत्रिका कोशिकाएं होती हैं, जिन्हें 'डॉर्सल ऑर्गन कूलिंग सेल्स' और 'डॉर्सल ऑर्गन वार्मिंग सेल्स' के रूप में जाना जाता है। ये कोशिकाएं अत्यंत संवेदनशील होती हैं, जो प्रति सेकंड एक सौवें डिग्री तक के तापमान परिवर्तन का पता लगाने में सक्षम होती हैं। जब वातावरण गर्म होता है, तो वार्मिंग कोशिकाएं सक्रिय होती हैं; जब यह ठंडा होता है, तो कूलिंग कोशिकाएं सक्रिय होती हैं। हालाँकि, इन कोशिकाओं की एक सीमा है: वे केवल परिवर्तन की दिशा की रिपोर्ट करती हैं। वे मस्तिष्क को बताती हैं "यह गर्म हो रहा है," लेकिन उन्हें यह नहीं पता होता कि लार्वा वर्तमान में बहुत ठंडा है या बहुत गर्म है। एक सामान्य (wild-type) लार्वा में, यह संकेत पूर्ण तापमान के आधार पर अलग-अलग व्यवहारों की ओर ले जाता है। यदि लार्वा 20 डिग्री सेल्सियस के ठंडे तापमान पर है, तो गर्माहट सुखद लगती है, और जीव सीधा चलता रहता है। यदि लार्वा 29 डिग्री सेल्सियस के गर्म तापमान पर है, तो वही गर्माहट का संकेत बुरा लगता है, और जीव दूर हट जाता है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि कौन सा हिस्सा इस बदलाव (switch) को अंजाम देता है।

उत्तर खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने देखा कि जब तापमान को एक केंद्रीय बिंदु के चारों ओर एक चिकनी लहर में ऊपर-नीचे (oscillate) होने के लिए बनाया गया, तो लार्वा कैसा व्यवहार करते हैं। उन्होंने पाया कि लार्वा तब अधिक बार मुड़ते थे, लेकिन केवल तभी जब केंद्रीय तापमान पहले से ही उच्च था। जब केंद्रीय तापमान कम था, तो लार्वा ने गर्माहट को अनदेखा किया और सीधे चलते रहे। शोधकर्ताओं ने फिर उन जीनों का अध्ययन किया जो इस व्यवहार को नियंत्रित करते हैं। उन्होंने TrpA1 नामक जीन पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक प्रोटीन चैनल बनाता है जो तापमान बढ़ने पर खुल जाता है। उन्होंने पाया कि इस जीन के बिना, लार्वा गर्म होने पर गर्माहट से दूर हटने की क्षमता खो देते थे। लार्वा गर्मी में सीधे चलते रहते थे, यह पहचानने में असमर्थ कि वे अपने आराम क्षेत्र को पार कर चुके हैं।

अगला कदम यह था कि यह पहचाना जाए कि यह जीन ठीक कहाँ काम कर रहा है। TrpA1 जीन मक्खी के कई हिस्सों में सक्रिय है, जिसमें शरीर के दर्द के सेंसर और आंत शामिल हैं। शोधकर्ताओं ने व्यवहार के लिए जिम्मेदार हिस्से को देखने के लिए विभिन्न ऊतकों (tissues) में इस जीन को व्यवस्थित रूप से बंद किया। उन्होंने पाया कि शरीर के दर्द के सेंसरों या आंत में जीन को बंद करने का व्यवहार पर कोई प्रभाव नहीं पड़ा। महत्वपूर्ण स्थान मस्तिष्क में केवल छह कोशिकाओं का एक छोटा सा समूह था, तीन प्रत्येक तरफ। शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट मस्तिष्क कोशिकाओं को 'लेटरल पोस्टीरियर ब्रेन थर्मोसेंसर' (LPBTs) नाम दिया। जब उन्होंने इन विशिष्ट मस्तिष्क कोशिकाओं को शांत (silence) किया, तो लार्वा बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करते थे जैसा कि बिना जीन वाले उत्परिवर्ती (mutants) करते थे: वे गर्म होने पर गर्माहट से दूर हटने में विफल रहे। जब उन्होंने प्रकाश के माध्यम से इन कोशिकाओं को कृत्रिम रूप से सक्रिय किया, तो लार्वा तुरंत मुड़ गए, भले ही तापमान बदल नहीं रहा था। इसने सिद्ध कर दिया कि ये छह कोशिकाएं मुड़ने के निर्णय के लिए कमांड सेंटर हैं।

लेकिन कहानी केवल स्थान तक ही सीमित नहीं थी। शोधकर्ताओं को यह समझने की आवश्यकता थी कि ये कोशिकाएं कैसे काम करती हैं। उन्हें उम्मीद थी कि ये मस्तिष्क कोशिकाएं केवल गर्मी के सेंसर हो सकती हैं जो तापमान बढ़ने पर सक्रिय होती हैं। हालाँकि, जब उन्होंने सूक्ष्मदर्शी से सक्रियता के प्रति चमकने वाली कोशिकाओं को देखा, तो उन्होंने कुछ अधिक जटिल देखा। ये कोशिकाएं केवल अपने आप सक्रिय नहीं होती थीं। उन्हें शरीर के परिधीय (peripheral) सेंसरों से आने वाले संकेत की आवश्यकता होती थी। यदि शोधकर्ताओं ने शरीर की वार्मिंग और कूलिंग कोशिकाओं से आने वाले संकेतों को रोक दिया, तो मस्तिष्क कोशिकाएं तापमान परिवर्तन के प्रति प्रतिक्रिया देना पूरी तरह बंद कर देतीं। मस्तिष्क कोशिकाएं स्वतंत्र थर्मामीटर के रूप में कार्य नहीं कर रही थीं; वे 'इंटीग्रेटर' (integrators) थीं। वे शरीर के सेंसरों को सुन रही थीं और उसमें अपना आंतरिक संदर्भ जोड़ रही थीं।

इस एकीकरण की कुंजी मस्तिष्क कोशिकाओं के भीतर स्वयं TrpA1 प्रोटीन था। शोधकर्ताओं ने पाया कि मस्तिष्क कोशिकाएं इस प्रोटीन का उपयोग 'गेन कंट्रोल' (gain control) के रूप में करती हैं, जो संकेत के वॉल्यूम (आवाज़) को समायोजित करने वाली एक प्रणाली है। जब तापमान पसंदीदा सेटपॉइंट, लगभग 25 डिग्री सेल्सियस से नीचे था, तो मस्तिष्क कोशिकाएं शरीर से मिलने वाले गर्माहट के संकेतों पर प्रतिक्रिया देती थीं, लेकिन प्रतिक्रिया मामूली थी। जैसे ही तापमान इस बिंदु से ऊपर गया, TrpA1 प्रोटीन सक्रिय हो गया, जिससे शरीर के सेंसरों के संकेत में वृद्धि (amplification) हुई। इस प्रवर्धन ने मस्तिष्क कोशिकाओं को बहुत मजबूती से सक्रिय कर दिया, जिससे मुड़ने का व्यवहार शुरू हो गया। TrpA1 प्रोटीन के बिना, मस्तिष्क कोशिकाएं गर्माहट को महसूस तो कर सकती थीं, लेकिन वे गर्म होने पर मुड़ने के लिए संकेत को पर्याप्त रूप से बढ़ा नहीं पाती थीं। प्रोटीन ने संकेत पैदा नहीं किया; इसने पूर्ण तापमान के आधार पर सर्किट की संवेदनशीलता को ट्यून किया।

यह खोज अस्तित्व के लिए एक परिष्कृत रणनीति को प्रकट करती है। लार्वा को दुनिया के जटिल मानचित्र या पिछले तापमानों की स्मृति की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, यह एक सरल सर्किट का उपयोग करता है जहाँ मस्तिष्क कोशिकाएं शरीर से प्राप्त तत्काल समाचार ("यह गर्म हो रहा है") को एक आंतरिक गेज (internal gauge) के साथ जोड़ती हैं ("हम पहले से ही गर्म हैं")। TrpA1 प्रोटीन वह स्विच है जो सूचना के इन दो टुकड़ों को जोड़ता है। जब आंतरिक गेज उच्च स्तर पढ़ता है, तो स्विच गर्माहट के संकेत की आवाज़ को बढ़ा देता है, जिससे जीव को मुड़ने के लिए मजबूर किया जाता है। यह तंत्र जीव को अपने पथ को लगातार समायोजित करके एक स्थिर शारीरिक तापमान बनाए रखने में सक्षम बनाता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि परिधीय संकेतों को केंद्रीय मॉड्यूलेशन के साथ जोड़ने का यही तर्क अन्य जानवरों, स्तनधारियों सहित, के शरीर के तापमान को विनियमित करने का तरीका हो सकता है। फ्रूट फ्लाई में, छह कोशिकाओं का एक छोटा सा समूह, अपनी संवेदनशीलता को ट्यून करने के लिए एक एकल प्रोटीन का उपयोग करके, यह मौलिक समस्या हल करता है कि गर्मी की तलाश कब बंद करनी है और ठंड की तलाश कब शुरू करनी है।